리튬이온전지의 전극두께에 따른 양극의 열화현상 규명

Abstract

현재 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 노트북 등의 소형 전자기기의 수요를 넘어서 전기자동차, ESS(Energy Storage System)와 같은 대형 배터리 사업에까지 폭넓게 수요가 증가하고 있다. 넓은 수요와 더불어 배터리의 용량과 출력을 향상시키기 위한 연구가 필요하다. 리튬이온 배터리의 용량 증가를 위해서는 배터리의 부피 및 질량에 대비하여 최대한의 에너지 밀도를 내는 것이 중요하다. 이에 에너지밀도를 증가시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 후막화란 같은 부피에 많은 활물질을 포함시켜 단위 부피당 용량을 최대화하고자 하는 연구이다. 따라서 큰 용량을 발현하는 양극을 후막화 시켜 단위부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다면 대용량 배터리에의 리튬 이온 전지의 활용도가 높아질 것으로 생각된다. 하지만 전극의 두께가 두꺼워질 경우 얇은 전극으로 구성된 전지에 비해 퇴화가 비교적 빠르고 심하게 일어난다. 따라서 본 논문에서는 후막화 전극의 퇴화 원인에 관해 연구해보았다. 기존의 보고된 연구들과 달리 한 개의 전극으로 분석하는 것이 아닌 expanded aluminum metal sheet에 전극을 성형해 3단계로 적층하여 실험하였다. 가장 큰 특징으로 전극의 상부, 중부, 그리고 하부를 나누어 전극의 영역별로 퇴화의 원인을 확인하였다. EIS, XANES, XRD, XPS 등의 분석을 통해 후막화에 따른 전지 퇴화 원인을 분석하였다. 최종적으로 이러한 실험결과를 이용하여 전극의 후막화의 퇴화원인을 개선하였다.

Currently, demand for lithium-ion batteries is expanding beyond the demand for small-sized electronic devices such as smart phones and notebooks to large-sized battery businesses such as electric vehicles and ESS (Energy Storage System). Research is needed to improve battery capacity and output with wide demand. To increase the capacity of a lithium-ion battery, it is important to maximize the energy density against the volume and mass of the battery. Therefore, much research is being conducted to increase the energy density. It is a study to maximize the capacity per unit volume by including many active materials in the same volume as the thick film. Therefore, if it is possible to increase the energy density per unit volume by thickening the cathode which exhibits a large capacity, the utilization of the lithium ion battery in a large capacity battery will be increased. However, when the thickness of the electrode is increased, degeneration occurs relatively quickly and more seriously than in the case of a cell composed of a thin electrode. Therefore, in this paper, we investigated the causes of degeneration of thickened electrodes. Unlike the previous studies, the electrode was formed on an aluminum expanded metal sheet instead of one electrode. The major features of the electrode were divided into the upper, middle, and lower parts of the electrode. EIS, XANES, XRD, XPS, and other factors to analyze the causes of cell degeneration associated with thick film formation. Finally, the cause of degeneration of electrode thickening was improved using these experimental results.